寧夏草原植物葉片氮磷化學計量特征及其驅動因素

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(1.寧夏大學農學院，寧夏 銀川 750021；2.寧夏草原工作站，寧夏 銀川 750002)

生態化學計量學是研究生物系統能量和化學元素平衡的科學，也是目前研究元素在生物地球化學循環和生態過程中計量關系和規律的最有效方法[1]，已成為生態學的熱點研究領域[2]。諸多元素中，氮(N)、磷(P)作為植物的基本營養元素，在植物蛋白質、磷酸的合成及能量傳遞等生理代謝過程中發揮著重要作用[3-5]，而且相比于其他元素，N、P元素的耦合作用更強，兩者可協同作用影響植物個體的功能甚至整個生態系統的進程[6]，同時N和P是自然界中生態系統生產力的主要限制因素[7]，大尺度植物葉片N、P元素特征是植物對環境的長期適應結果[8]，其化學計量特征能夠反映植物的生態策略[9]，因此植物N、P含量和N/P是預測陸地生態系統變化的重要指標[10]。

近年來，利用生態化學計量學方法研究植物葉片N、P變化規律已成為生態學的研究熱點[11]。國內外學者對植物葉片N、P化學計量特征及其對植物生長的影響已做深入研究[12-16]，另一些研究集中于不同區域非生物環境因子對N、P化學計量特征的影響，基于野外試驗和文獻數據分析表明：水熱、土壤和植物生長型是影響陸地生態系統葉片化學計量特征的主要驅動因素[9,17-19]。因此在陸地生態系統，葉片化學計量特征與氣候的關系備受關注。在全球尺度，Reich等[17]研究表明：植物葉片N、P含量與年均溫呈負相關關系，與緯度呈正相關關系，而N/P與年均溫呈正相關關系，與緯度呈負相關關系，N、P含量的變化主要是由熱帶和溫帶地區之間的差異驅動。而在國家尺度，中國陸地生態系統植物葉片N、P隨緯度的上升(或年均溫度的降低)而增加，但是N/P顯著低于全球尺度，N/P沒有顯示出任何有意義的變化[18-19]，這也表明中國植物區系與全球尺度植物葉片計量模式存在差異。在中國草地生態系統中，樊江文等[20]對內蒙古草地和青藏高原植物氮磷元素空間格局及其與氣候因子關系的研究發現：植物葉片N含量隨著年均溫的增加而增加，但植物葉片P含量無顯著變化；隨著年均降水量的增加葉片N、P含量都呈升高趨勢，N/P隨年均溫度和年均降水量變化無顯著變化。而He等[19]研究發現，水熱不是影響植物葉片N、P含量的直接因素，水熱通過影響植物群落的物種組成而改變植物葉片N、P含量，并在區域尺度上研究發現：降水是內蒙古溫帶草原植物生長的限制因素，溫度是青藏高原高寒草原植物生長的限制因素，降水和溫度共同限制了新疆山地草原植物的生長[15,19]。因此，不同地理單元氣候限制因素是造成植物葉片N、P化學計量特征差異的原因[21]。

由此可見，不同區域和植被類型N、P化學計量特征及其驅動因素并不一致，需要進一步的深入研究，而較小區域尺度的植物化學計量學研究更能準確反映該區域植物對環境的適應策略。寧夏從南到北主要草原類型有溫性草甸草原、溫性典型草原、溫性荒漠草原，適于溫性草原生態系統葉片化學計量特征的研究。因此，本研究通過分析寧夏草原植物葉片化學計量特征(N、P含量及N、P計量比)與氣候因子(年均溫度、年均降水量)之間的關系及N、P含量和N/P空間格局(經度、緯度、海拔)，揭示寧夏草原植物葉片N、P化學計量特征及養分限制狀況，以期為我國植物生態化學計量學的區域性研究提供理論基礎。

1 材料與方法

1.1 研究區域自然概況

寧夏地處西北內陸，位于黃土高原與內蒙古高原的過渡地帶，地勢南高北低，氣候類型屬溫帶大陸性干旱、半干旱氣候，全年日照充足、干旱少雨。寧夏草原類型主要有溫性荒漠草原、溫性典型草原和溫性草甸草原(表1)，根據自然分布情況，選取了無人類活動影響的111個草原群落樣地，樣地主要設在鹽池、中寧、同心、海原、彭陽縣及中衛、固原市周邊地區(圖1)。其地理范圍是緯度36°-38° N，經度103°-108° E，海拔1210～2641 m，年均溫變化范圍是3～11 ℃，年降水量變化范圍是159～533 mm。

1.2 試驗方法

1.2.1采樣 于2016年7-8月(植物生長季)進行樣品采集。在每個樣地中選取3個1 m×1 m的小樣方，采集樣方內成熟、無病斑的優勢植物種葉片，裝入樣品袋，采集到的植物葉片在實驗室65 ℃條件下烘干72 h至恒重，粉碎并密封保存以供元素化學分析之用。

表1 寧夏各草原類型的優勢植物Table 1 Dominant plants of each grassland type in Ningxia

1.2.2測定方法 粉碎后的樣品采用H2SO4-H2O2消煮分解制備待測液，全N含量用凱氏定氮法(KjelFlex K-360全自動定氮儀，Switzerland)測定，全P含量用鉬銻抗比色法(UV-1600紫外可見分光光度計)測定[22]。

圖1 寧夏草原自然分布區和采樣分布Fig.1 Distribution area of Ningxia grassland plant and the sampling sites

1.2.3氣象數據獲取方法 不同區域的溫度和降水與其三維地理坐標(經度、緯度、海拔)具有很好的相關性[23]，因此可用下式擬合其關系：MAT (mean annual temperature)=aLAT+bLON+cALT+d(R2=0.9288，n=25，P<0.01)；MAP (mean annual precipitation)=aLAT+bLON+cALT+d(R2=0.9477，n=25，P<0.01)，式中MAT、MAP分別為年均溫度和年均降水，LAT、LON、ALT分別為緯度、經度和海拔，a、b、c為系數，d為常數。根據寧夏回族自治區分布的25個氣象站點資料建立研究區氣象臺站氣候因子(1981-2016年的月平均溫度和月平均降水資料)與三維地理坐標(經度、緯度、海拔)的定量關系，并根據上述關系推算樣地的氣候信息。

1.3 數據分析

首先，分析植物葉片N、P含量和N/P的整體分布范圍和變異特征[變異系數(coefficient of variation，CV)來檢驗所選變量的可變性]；采用One Sample Kolmogorov-Smirnov方法檢驗數據的正態分布，由于數據符合對數正態分布，因此對所有數據進行以10為底的對數轉換。然后采用Pearson相關性分析和回歸分析來探討寧夏草原植物葉片化學計量特征(N、P含量和N/P)與空間格局(經度、緯度、海拔)、氣候因子(年均溫度、年均降水量)的關系。最后，用主成分分析(principal component analysis，PCA)全面分析葉片化學計量特征與空間格局、氣候因子的關系。采用Excel 2007對得到的數據進行初步整理；采用統計軟件SPSS (SPSS Version 21.0 for Windows，Chicago，USA)對試驗數據進行統計分析，顯著性水平設為0.05；采用Sigmaplot (Sigmaplot for Windows Version 12.5)作圖。

2 結果與分析

2.1 寧夏草原植物葉片化學計量特征的整體分布和變異特征

由表2可知，寧夏草原植物葉片N、P含量及N/P的變異系數均較大，分布均較為分散，N含量的分布范圍為8.49～47.24 mg·g-1，算數平均值為(22.47±10.71) mg·g-1，變異系數為47.69%；P含量的分布范圍為0.43～4.77 mg·g-1，算數平均值為(1.83±0.81) mg·g-1, 變異系數為44.44%；植物葉片N/P的分布范圍為1.83～36.27，算數平均值為(14.24±7.76)，變異系數為54.47%。

表2 寧夏草原植物葉片N、P 含量和N/P計量比整體分布和變異特征Table 2 Leaf N, P concentration and N/P ratio of Ningxia grassland plant (409 samples number)

在寧夏草原植物區系中，荒漠草原植物葉片N含量和N/P顯著高于典型草原和草甸草原，P含量顯著低于典型草原和草甸草原，而典型草原和草甸草原植物葉片N、P含量及N/P無顯著性差異(表3)。

表3 寧夏不同草原類型植物葉片N、P含量和N/P結果比較Table 3 Comparison of N, P concentration and N/P in leaves of different grassland types in Ningxia

注：同列不同字母表示在P<0.05水平差異顯著。

Note: Different small letters in the same column indicate significant differences atP<0.05 level.

2.2 寧夏草原植物葉片化學計量特征之間的關系

回歸分析表明：植物葉片N與P含量之間呈顯著的正相關關系(圖2a，R2=0.028，P<0.001)，植物葉片N/P與N含量之間呈顯著的正相關關系(圖2b，R2=0.454，P<0.001)，與P含量之間呈顯著的負相關關系(圖2c，R2=0.378，P<0.001)。

圖2 寧夏草原植物葉片N、P含量和N/P之間的關系Fig.2 Relationships among leaf N, P concentration and N/P of Ningxia grassland plant

2.3 寧夏草原植物葉片化學計量特征空間格局

寧夏草原植物葉片 N、P含量和N/P空間分布格局如圖3所示。寧夏草原植物葉片N含量、N/P與緯度關系趨勢一致，即都隨著緯度的升高而顯著升高(圖3a，g)；與海拔關系趨勢相反，即都隨海拔的升高而顯著降低(圖3c，i)。葉片N、P含量與經度關系趨勢一致，即隨著經度的升高而顯著升高(圖3b，e)，但葉片P含量與緯度、海拔以及N/P與經度都無顯著的相關關系(圖3d，f，h)。

圖3 寧夏草原植物葉片N、P含量和N/P空間格局Fig.3 Leaf N, P concentration and N/P in relation to geographical variables

2.4 寧夏草原植物葉片化學計量特征與氣候因子的關系

寧夏草原植物葉片N、P含量和N/P與氣候因子之間的關系如圖4所示。在本研究中，寧夏草原植物葉片N含量、N/P與年均溫度(MAT)呈顯著的正相關關系，隨年均溫的上升而增加(圖4a，e)；葉片P含量與年均降水量(MAP)呈顯著的正相關關系，隨年均降水量的升高而增加(圖4d)；葉片N含量、N/P與年均降水量(MAP)呈顯著的負相關關系，隨年均降水量的升高而降低(圖4b，f)。而葉片P含量與年均溫度無顯著的相關關系(圖4c)。

2.5 寧夏草原植物葉片化學計量特征與空間格局、氣候因子關系的綜合分析

以寧夏草原植物葉片化學計量特征(N、P含量和N/P)、空間格局(緯度、經度、海拔)和氣候因子(年均溫度和年均降水量)為變量，用主成分分析(PCA)對它們之間的關系進行了分析(圖5)。第一主成分(PC1)能解釋50.34%的方差，分布于高海拔(低經度)的寧夏草原植物群落其年均溫度較低，年均降水量較高，氮含量較低(PC1右側)；而分布于低海拔(高經度)的寧夏草原植物群落其年均溫度較高，年均降水量較低，而氮含量較高(PC1左側)，這說明寧夏草原植物葉片N含量較高的環境區域特征是高緯度、低海拔(高經度)和高年均溫度。第二主成分(PC2)能解釋20.49%的方差，并表明在高經度區域的葉片中P含量較高，P含量與N/P呈負相關關系。

圖4 寧夏草原植物葉片N、P含量和N/P與氣候因子之間的關系Fig.4 Leaf N, P concentration and N/P in relation to climatic factors 顯著性水平為P≤0.05。Significant relationships were at P≤0.05.

3 討論

3.1 寧夏草原植物葉片化學計量特征

作為區域尺度的N、P化學計量研究，通過對比其他研究的均值可發現(表4)：寧夏草原植物葉片N含量顯著低于北方典型荒漠及荒漠化地區[24]和中國草地[19]植物葉片N含量，但高于中國典型草原植物葉片N含量[25]，這是由于荒漠草原在寧夏溫性草原中面積最大，本研究中采集的群落優勢種最多，有研究表明荒漠區和高寒區較其他區域有較高的N含量[15, 19]，因此本研究N含量高于典型草原葉片，但低于荒漠及荒漠化地區和中國草地。寧夏草原植物葉片P與N含量特征不完全一致，P含量顯著高于北方典型荒漠及荒漠化地區[24]和中國典型草原[25]， 但低于中國草原植物葉片P含量[19]，汪濤等[26]研究表明中國土壤磷含量變異幅度較大，從濕潤區向干旱半干旱區呈增加趨勢，這也是寧夏草原植物葉片含量相對較高的原因。

圖5 寧夏草原植物葉片N、P含量和N/P與空間格局、氣候因子關系的綜合分析Fig.5 Loadings of geographical variables and climatic factors and plant leaf chemical stoichiometry of Ningxia grassland plant in a principal component analysis of the sampling sites LAT、LON、ALT、MAP、MAT分別為緯度、經度、海拔、年均降水量和年均溫，PC1為第一主成分，PC2為第二主成分。LAT:Latitude, LON:Longitude, ALT:Altitude, MAP:Mean annual precipitation, MAT:Mean annual temperature, PC1:First principal component, PC2:Second principal component.

寧夏草原植物葉片N、P含量與N/P均存在顯著相關關系(圖2)，說明N/P的變化由N、P共同決定。在陸地生態系統中，N和P是植物生長的主要限制因素。許多研究表明，N/P可作為描述植物養分限制的一個指示性指標[27-29]。一般來說，N/P小于14時，植物生長受N限制；大于16時植物生長受P限制；介于14和16同時受N、P兩者的限制[30]。寧夏草原植物N/P為14.24，介于14和16，因此寧夏草原植物生長同時受N、P的限制，這與中國草原植物區系和北方典型荒漠及荒漠化植物區系植物葉片養分限制研究結果一致[19,24]。

3.2 寧夏草原植物葉片化學計量特征與空間格局和氣候因子的關系

寧夏草原植物葉片的N含量和N/P隨緯度的增加而升高(或海拔的升高而降低)，這不同于Reich等[17]在全球尺度的研究結果，但與Han等[18]在中國區域和Zheng等[31]在黃土高原區域的研究結果一致。P含量與緯度的相關性并不顯著，這可能是由于相對于全國乃至全球尺度，寧夏研究區域的緯度變化范圍較小(36°-38° N)造成的。在經度方向，植物葉片N、P含量隨經度的變化趨勢一致，N、P含量隨經度升高而增加。

表4 寧夏草原植物葉片N、P含量和N/P與其他研究結果比較Table 4 Comparisons results between leaf N, P concentration and N/ P of grassland vegetation in Ningxia and other regions

注：**在0.01水平上差異顯著，*在0.05水平上差異顯著。

Note: ** shows the significant difference at the 0.01 level, and * shows the significant difference at the 0.05 level.

通常認為，大區域尺度上葉片的N、P含量和N/P是植物對當地氣候條件長期適應的結果，但是不同尺度上有不同的水熱組合和氣候限制因子，從而導致各個尺度上沒有完全統一的化學計量模式[7,17-18]，比如在中國草地生態系統，不同區域草原植物的生長受不同氣候因子的限制，青藏高寒草原植物生長受溫度限制，內蒙古溫帶草原主要受降水限制，新疆山地草原則受溫度和降水共同限制[19]。因此區域尺度上葉片的N、P含量和N/P有其獨特的變化規律。寧夏獨特的地形地貌，賦予寧夏草原獨特水熱組合，寧夏南北狹長，地形南高北低，緯度和海拔在南北方向變化顯著，即隨著緯度的升高海拔逐漸降低，空間變化導致沿著南北方向水熱梯度變化最為劇烈，其中年平均降水量逐漸從533 mm降至159 mm，而年平均溫度從3 ℃升至11 ℃，而東西方向變幅較小。因此從南到北依次為溫性草甸草原、溫性典型草原和溫性荒漠草原，植被生長也逐漸從溫度限制過渡到水分限制。溫度-植物生理假說(temperature-plant physiological hypothesis)認為植物生理代謝活動對溫度的變化是敏感的，溫度直接影響植物所有生理代謝活動的速率，因此低溫環境下生長的植物會通過提高自身營養元素含量來補償低溫環境中較低的代謝活性和生長速率[19]，但在寧夏草原植物區系，植物葉片N含量隨溫度升高而顯著增加，并不支持溫度-植物生理假說。這是由于南部草甸草原海拔高、溫度低、生長季節短，土壤中微生物的數量少、活性弱，導致植物根的吸收效率降低，因而植物葉片N含量較低。而北部為荒漠草原，年均溫較高，植物生長周期更長，葉片中N元素積累也更多[32-34]。北部荒漠草原植物葉片具有相對較高的N含量，此結果支持干旱荒漠環境植物葉片具有較高N含量假說[35]。植物中的P元素來源于土壤，而土壤P元素主要來源于巖石風化和微生物的礦化作用分解，土壤中供P元素給植物易受氣候條件變化的影響[36]，故寧夏草原植物葉片P含量與年均降水量顯著正相關。

寧夏草原植物葉片N/P隨年均溫度的升高而增加，隨年均降水量的升高而降低。這與Zheng等[31]研究黃土高原地區植物葉片N/P隨降水量增加而降低的結果一致。許多研究表明水熱是影響植物葉片化學計量特征的驅動因素[15,19,31]，PCA分析顯示(圖5)：空間分布和水熱變化解釋了寧夏草原植物葉片N、P化學計量特征方差的70.83%。而空間的變化主要影響陸地溫度和水分分布，因此，水熱是寧夏草原植物葉片N、P化學計量特征的驅動因子。

4 結論

1)寧夏草原植物葉片N、P含量和N/P平均值分別為22.47，1.83 mg·g-1和14.24，N/P大于14小于16表明寧夏草原植物生長同時受N、P的限制。

2)寧夏草原植物葉片N含量和N/P隨緯度、年均溫升高而增大，隨海拔、年均降水量降低而增大，而葉片P含量隨年降水量升高而升高；N、P含量隨經度升高而增大。

3)水熱是寧夏草原植物葉片N、P化學計量特征的驅動因素。